ITTO970321A1

ITTO970321A1 - Dispositivo e metodo per controllare l'energia fornita ad un resistore di emissione di una testina di stampa termica a getto di inchiostro e

Info

Publication number: ITTO970321A1
Application number: IT97TO000321A
Authority: IT
Inventors: Renato Conta; Angelo Menegatti
Original assignee: Olivetti Canon Ind Spa
Priority date: 1997-04-16
Filing date: 1997-04-16
Publication date: 1998-10-16
Also published as: US6371589B1; EP0984861B1; DE69806756T2; IT1293885B1; WO1998046430A1; EP0984861A1; DE69806756D1

Description

Descrizione dell’invenzione industriale avente per titolo:

“Dispositivo e metodo per controllare l’energia fornita ad un resistore di emissione di una testina di stampa termica a getto di inchiostro e relativa testina di stampa”,

TESTO DELLA DESCRIZIONE

Area tecnologica dell'invenzione - L'invenzione e1 relativa ad una testina di stampa utilizzata in una apparecchiatura per formare immagini in nero e a colori su di un supporto di stampa, normalmente ma non esclusivamente un foglio di carta, mediante la tecnologia a getto di inchiostro dei tipo termico, e ad un dispositivo, e relativo metodo di funzionamento, per la regolazione dell’energia fornita ai resistori di emissione delia testina stessa.

Presupposti tecnici - Sono note nella tecnica apparecchiature del tipo sopra descritto, come ad esempio stampanti, macchine copiatrici, facsimile, ecc., ed in particolare delle stampanti utilizzate per produrre la stampa di un documento, mediante mezzi di stampa generalmente in forma di testine di stampa fisse o intercambiabili.

La costituzione ed il modo di funzionamento generale di una stampante termica a getto di inchiostro cosi' come quelli della relativa testina di stampa a getto di inchiostro sono già1 ampiamente noti nella tecnica, e pertanto non se ne dara' qui una descrizione dettagliata, limitandosi a descrivere piu' particolareggiatamente solo alcune caratteristiche delle testine rilevanti ai fini della comprensione della presente invenzione.

Una tipica stampante a getto di inchiostro e' schematicamente composta da:

un sistema, azionato selettivamente da un motore, di alimentazione e di avanzamento del foglio di carta su cui si vuole stampare l'immagine, tale che l'avanzamento avviene in una determinata direzione per passi discreti (interlinea),

un carrello mobile, scorrevole su guide, in una direzione perpendicolare a quella di avanzamento del foglio, azionato selettivamente da un motore per compiere un moto di andata ed un moto di ritorno attraverso tutta la larghezza del foglio stesso,

un mezzo di stampa, generalmente, ad esempio, una testina di stampa, rimuovibilmente fissata al carrello, comprendente una molteplicità’ di resistori di emissione depositati su di un substrato (solitamente una piastrina di silicio), e disposti all'interno di celle o camere di emissione piene di inchiostro, singolarmente collegate sia ad una corrispondente molteplicità' di ugelli, attraverso i quali la testina e' in grado di emettere delle gocce di inchiostro, sia ad un serbatoio principale contenente l’inchiostro,

un governo elettronico che, sulla base delle informazione ricevute da un "computer" a cui e' collegato e delle predisposizioni impostate dall'utilizzatore, comanda selettivamente sia i succitati motori che la testina di stampa, provocando in essa, mediante il riscaldamento selettivo dei resistori, l'emissione delle gocce di inchiostro contro la superficie del foglio, generando così una immagine visibile.

Le testine di stampa, secondo una recente evoluzione della tecnica nota, comprendono, oltre ai resistori di emissione, anche i componenti attivi di pilotaggio che forniscono selettivamente energia per riscaldare i resistori di emissione stessi, tipicamente sotto forma di transistori MOS integrati sullo stesso substrato a semiconduttore, cioè' prodotti mediante tecniche note della tecnologia dei circuiti integrati a semiconduttori sulla piastrina di silicio.

Dai punto di vista elettrico, questi componenti di pilotaggio integrati, aventi tutti caratteristiche geometriche ed elettriche sostanzialmente uguali tra di loro, ed i relativi resistori di emissione associati ad essi, sono organizzati tipicamente secondo una matrice di righe e colonne, con modalità' di funzionamento note nella tecnica, allo scopo di minimizzare il numero dei collegamenti e dei contatti tra la testina e il governo elettronico.

L'energia viene fornita dai transistori MOS ai resistori di emissione, permettendo selettivamente il passaggio attraverso i resistori stessi di una corrente fornita da un alimentatore di tensione, a cui sono collegati in comune tutti i resistori di emissione; questa corrente si tramuta nel resistore di emissione in energia termica per effetto Joule e ne provoca il rapidissimo riscaldamento, fino ad una temperatura superiore ai 300 °C. Una prima frazione di questa energia termica si trasferisce all'inchiostro presente nella camera di emissione circostante il resistore stesso, vaporizzandolo con conseguente enucleazione di una bolla di vapore, e provocando cosi' l’espulsione di una goccia, avente un determinato volume, attraverso l'ugello collegato con la camera di emissione medesima; una seconda frazione di questa energia termica si disperde per conduzione attraverso il substrato comune (la piastrina di silicio) su cui sono depositati i resistor! di emissione, aumentando la temperatura Ts del substrato stesso e quindi della testina nel suo insieme e dell'inchiostro in essa contenuto, rispetto alla temperatura ambiente.

Il fenomeno della emissione di una goccia può' essere meglio compreso con riferimento al grafico di Fig. 1 , che mostra l'andamento sperimentalmente rilevato, rappresentato dalla curva 30, del volume VOL della goccia di inchiostro emessa da un ugello, in funzione dell'energia termica E fornita al resistore di emissione disposto nella cella collegata all'ugello, per un dato valore costante della temperatura Ts del substrato.

Come evidenziato dal grafico, al di sotto di un valore Es (energia di soglia) non si ha formazione della goccia, poiché' il resistore non raggiunge una temperatura tale da vaporizzare l'inchiostro a contatto. Aumentando l'energia E fornita al resistore dal valore Es al valore Eg (energia del ginocchio), il volume VOL delle gocce emesse cresce in modo sostanzialmente proporzionale al crescere dell'energia E fornita al resistere di emissione; al di sopra del valore Eg il volume VOL rimane invece sostanzialmente invariato all'aumentare della energia E fornita al resistere stesso: questa zona rappresenta la zona di lavoro normalmente sfruttata.

L’energia di ginocchio Eg di una testina termica a getto di inchiostro è caratteristica della configurazione geometrica e costruttiva adottata, oltre che dipendere, come precedentemente accennato, dalla temperatura Ts di lavoro del substrato (piastrina di Si); a parità di altre condizioni, essa è comunque variabile da testina a testina in conseguenza delle derive dei processi produttivi. In particolare, per le testine con componenti di pilotaggio integrati, essa dipende principalmente dai seguenti parametri caratteristici del processo produttivo:

spessore dell'ossido di campo S1O2 (Locos - ossidazione locale del substrato di Silicio),

spessore della passivazione di protezione (BPSG - vetrificazione silicea al Boro/Fosforo),

spessore degli strati di NSi e di CSi di protezione dei resistori di emissione,

spessore dello strato di Ta anti-cavitazione,

valore ohmico e dimensioni geometriche dei resistori di emissione,

valore della RON dei componenti attivi di pilotaggio MOS integrati. La caratteristica asintotica dell'andamento dei volume VOL delle gocce in funzione dell’energia E fornita al resistere di emissione e' utilmente sfruttata per la definizione del valore tipico'di lavoro Ei per l'energia E da fornire al resistere di emissione (punto di lavoro energetico). Nella pratica corrente si adotta, ad esempio, un valore di Ei sensibilmente superiore a Eg, cosicché sia eventuali limitate fluttuazioni della energia termica E fornita al resistere di emissione, (dovute a svariati fattori, ad esempio alle tolleranze naturali del valore della tensione di alimentazione e della durata dell’impulso di corrente fornita ai resistor! di emissione da parte della stampante su cui è montata le testina), sia derive del valore Eg dovute alle tolleranze dei parametri produttivi della testina stessa, non comportano variazioni apprezzabili del volume VOL delle gocce emesse.

Ciò' e' una conseguenza del fatto che il punto di lavoro energetico dei resistor! di emissione si trova comunque in corrispondenza del tratto asintotico della curva 3 e quindi si evita di creare instabilità' di funzionamento, che potrebbe invece verificarsi qualora El scendesse al di sotto di Eg e il volume delia goccia divenisse quindi variabile.

Per contro, utilizzare un valore di El sensibilmente superiore a Eg comporta anche un insieme di effetti negativi, come conseguenza dell'aumento della temperatura della testina dovuto alla frazione di energia termica non utilizzata per l’emissione della goccia di inchiostro; tra questi effetti negativi si possono citare i seguenti:

il volume delle gocce di inchiostro emesse dagli ugelli, a parità' di valore dell'energia di lavoro El, aumenta con l'aumentare della temperatura del substrato (e quindi dell'inchiostro), provocando, come precedentemente illustrato, una corrispondente variazione del diametro dei punti elementari stampati sulla carta ed un conseguente deterioramento del'uniformita' di stampa. Questo fenomeno può' essere cosi' vistoso da provocare addirittura differenze apprezzabili di densità' ottica dei caratteri stampati all'inizio di una pagina rispetto a quelli stampati alla fine, a causa dell'aumento di temperatura della testina provocato dalla stessa operazione di stampa della pagina;

inoltre, se la temperatura della testina diviene molto elevata, su alcuni specifici resistor! di emissione frequentemente attivati in stampa si può' innescare un fenomeno di deposizione di residui carboniosi, derivanti dalla scomposizione dell'inchiostro, sul resistere stesso, che ne ridurrebbero anche drasticamente la durata funzionale, con conseguente anomalie di funzionamento della testina di stampa per la mancata emissione di inchiostro da parte del relativo ugello.

Per contrastare almeno in parte questi effetti negativi, sono stati suggeriti nella tecnica nota metodi e dispositivi che si prefiggono fondamentalmente di stabilizzare la temperatura Ts del substrato, cioè' di fare lavorare la testina ad una temperatura Ts del substrato sostanzialmente costante.

Ad esempio, è stato suggerito di rallentare la velocita' di stampa (e quindi diminuire la frequenza con cui sono emesse le gocce) quando la temperatura T, tende a superare un limite definito, per aumentare il tempo a disposizione della testina per raffreddarsi naturalmente e stabilizzarsi ad un valore di temperatura piu' basso; o addirittura di interrompere la stampa quando la temperatura del substrato abbia superato un livello prefissato; queste soluzioni non sono però soddisfacenti perchè vanno a detrimento della velocita' di esecuzione del lavoro (il cosiddetto "troughput"), che e' invece un requisito sempre piu' apprezzato dagli utilizzatori delle stampanti a getto di inchiostro.

Oppure sono stati suggeriti dei sistemi per mantenere costante la temperatura Ts del substrato, facendo lavorare la testina sempre ad un livello massimo di temperatura prefissato con l'impiego, ad esempio, sia di resistor! addizionali, oltre a quelli di emissione, con cui riscaldare la testina, quando necessario; sia utilizzando gli stessi resistor! di emissione per riscaldare la testina: in questo caso i resistor! di emissione relativi agli ugelli cui non e' richiesto di emettere gocce di inchiostro vengono ugualmente riscaldati, ma con impulsi di energia aventi frequenza troppo elevata per provocare l'emissione di una goccia. Entrambe le soluzioni, pero1, rendono necessaria la presenza sulla testina di un sensore di temperatura, ad esempio sotto forma di un termistore montato a contatto della testina stessa, con conseguente complessità' di costruzione della testina e aumento dei costi relativi. Esse, inoltre, non sono completamente soddisfacenti perchè non risolvono il problema dei depositi carboniosi sui resistor! di emissione, poiché' la stabilizzazione della temperatura viene fatta su valori elevati.

Risulta pertanto preferibile adottare una diversa strategia, consistente nel controllare l’energia di lavoro El fornita ai resistori di emissione, in modo da fornire a ciascuna testina montata sulla stampante una energia solo di poco superiore alla effettiva energia Eg caratteristica di quella specifica testina; poiché però, come illustrato precedentemente, il valore di Eg è variabile da testina a testina, occorre conoscere preliminarmente questo valore, o, in alternativa, disporre di una stampante in cui siano disponibili mézzi per misurare una caratteristica del resistore di emissione della testina, in base alla quale definire delle condizioni di pilotaggio corrette per la testina stessa montata sulla stampante.

Un esempio di soluzione è quello descritto nella Domanda di Brevetto Europeo EP 626266 relativo ad una testina comprendente un resistore di emissione “finto”, cioè non utilizzato per generare gocce di inchiostro, ma avente tutte le caratteristiche, ed in particolare la resistenza, uguali a quelle dei resistorì di emissione, essendo fabbricata con lo stesso processo e con gli stessi parametri dei resistorì di emissione. In base al valore di questo resistore “finto” effettivamente misurato al termine del processo di fabbricazione delle testine, queste vengono suddivise in classi corrispondenti ad intervalli stabiliti di resistenza; ogni testina viene codificata in base alla classe di appartenenza e questo codice viene riconosciuto dalla stampante su cui viene montata le testina, in modo da adattare corrispondentemente la corrente fornita al resistore di emissione.

Questo sistema, però, oltre a essere tanto più impreciso quanto più ampio è l'intervallo assegnato ad ogni classe in cui è suddiviso l'intervallo di variabilità della resistenza delle testine, non tiene conto di altri elementi costruttivi che contribuiscono a differenziare tra di loro le testine che pure hanno valori di resistenza compresi nella medesima classe, come, ad esempio, lo spessore dello strato isolante che separa il resistore stesso dall’inchiostro, così come non compensa l’eventuale differenza della tensione di alimentazione tra le diverse stampanti su cui può essere montata una testina.

Quest'ultimo problema è risolto, ad esempio, dal Brevetto US 5,083,137 in cui la tensione di alimentazione dei resistori di emissione fornita dalla stampante è variabile, ed è regolabile con un circuito in contro-reazione in base al segnale fornito da un comparatore che confronta la tensione effettivamente fornita ai resistori di emissione con un valore prefissato di riferimento.

Appare però chiaro che, anche usando contemporaneamente gli insegnamenti di entrambe le soluzioni precedenti note nella tecnica, non si risolverebbe completamente il problema di fornire a ciascuna testina una energia di lavoro Ei solo di poco superiore alla energia di ginocchio Eg caratteristica di quella specifica testina.

Sommario dell’invenzione - Scopo della presente invenzione è quello di definire un dispositivo per controllare l’energia fornita ad un resistore di emissione di una testina di stampa termica a getto di inchiostro montata su di una stampante, detto resistore di emissione essendo in grado di generare una bolla di vapore al raggiungimento di una temperatura di enucleazione, e detta stampante comprendendo mezzi per fornire una quantità variabile di detta energia a detto resistore di emissione, caratterizzato dal fatto che comprende mezzi integrati su detta testina per rilevare detta temperatura di enucleazione, e mezzi per regolare detta quantità variabile di detta energia fornita a detto resistore di emissione, in modo che detto resistere di emissione raggiunga detta temperatura di enucleazione, condizionati da detti mezzi per rilevare detta temperatura di enucleazione.

In questo modo vengono compensate tutte le variabili e le derive del processo produttivo della testina di stampa, cosi come viene compensata l'eventuale differenza delle caratteristiche jdi pilotaggio tra le diverse stampanti su cui può essere montata la testina.

Un altro scopo dell’invenzione è quello di definire un metodo per controllare l'energia fornita ad un resistore di emissione di una testina di stampa termica a getto di inchiostro montata su di una stampante, detto resistere di emissione essendo in grado di generare una bolla di vapore al raggiungimento di una temperatura di enucleazione, e detta stampante comprendendo mezzi per fornire una quantità variabile di detta energia a detto resistore di emissione, caratterizzato dal fatto che comprende i seguenti passi: disporre di mezzi integrati! su detta testina per rilevare detta temperatura di enucleazione; regolare detta quantità variabile di detta energia fornita a detto resistore di emissione, in modo che detto resistore di emissione raggiunga detta .temperatura di enucleazione, in base a detti mezzi per rilevare detta temperatura di enucleazione.

Un ulteriore scopo dell'invenzione è quello di definire un metodo per controllare l'energia fornita ad un resistore di emissione di una testina di stampa termica a getto di inchiostro montata su di una stampante, detto resistore di emissione essendo in grado di generare una bolla di vapore al raggiungimento di una temperatura di enucleazione, e detta stampante comprendendo mezzi per fornire una quantità variabile di detta energia a detto resistore di emissione, caratterizzato dal fatto che comprende i seguenti passi: disporre di mezzi integrati su detta testina per rilevare una variazione del coefficiente di aumento della resistenza con la temperatura al raggiungimento di detta temperatura di enucleazione; regolare detta quantità variabile di detta energia fornita a detto resistore di emissione, in modo che detto resistore di emissione raggiunga detta temperatura di enucleazione, in base a detti mezzi per rilevare detta variazione del coefficiente di aumento della resistenza con la temperatura.

Un altro scopo dell'invenzione è quello di definire una testina di stampa termica a getto di inchiostro comprendente mezzi per fornire una quantità variabile di energia a un resistore di emissione in grado di generare una bolla di vapore al raggiungimento di una temperatura di enucleazione, caratterizzata dal fatto che comprende inoltre mezzi per rilevare detta temperatura di enucleazione comprendenti un primo resistore ricavato da uno strato di materiale elettricamente conduttivo in corrispondenza di un resistore di prova costruttivamente identico a detto detto resistere di emissione.

Un ulteriore scopo dell’invenzione è quello di definire una stampante a getto di inchiostro comprendente una testina di stampa termica comprendente mezzi per fornire una quantità variabile di energia a un resistore di emissione in grado di generare una bolla di vapore al raggiungimento di una temperatura di enucleazione, caratterizzata dal fatto che detta testina di stampa comprende inoltre mezzi per rilevare detta temperatura di enucleazione comprendenti un primo resistore ricavato da uno strato di materiale elettricamente conduttivo in corrispondenza di un resistore di prova costruttivamente identico a detto detto resistore di emissione.

I suddetti scopi sono ottenuti per mezzo di un dispositivo per controllare l'energia fornita ad un resistore di emissione di una testina di stampa termica a getto di inchiostro, del relativo metodo di funzionamemto, della relativa testina di stampa e della relativa stampante, caratterizzati come definito nelle rivendicazioni principali.

Questi ed altri scopi, caratteristiche e vantaggi dell’invenzione risulteranno evidenti sulla base della seguente descrizione di una sua forma preferita di realizzazione, fatta a titolo esemplificativo e non limitativo, con riferimento agli annessi disegni.

ELENCO DELLE FIGURE

Fig. 1 - Rappresenta in forma schematica l’andamento del volume delle gocce emesse da una testina termica a getto d’inchiostro in funzione della energia fornita ai resistori di emissione.

Fig. 2 - Rappresenta una vista laterale parziale semplificata in sezione di una testina di stampa termica a getto di inchiostro integrata secondo l’invenzione.

Fig. 3 - Rappresenta uno schema elettrico semplificato del dispositivo per controllare l’energia fornita ad un resistore di emissione di una testina di stampa termica a getto di inchiostro secondo l'invenzione.

Fig. 4 - Rappresenta in forma schematica l’andamento rispetto al tempo di alcune grandezze elettriche relative al dispositivo per controllare l'energia fornita ad un resistore di emissione di una testina di stampa termica a getto di inchiostro secondo l'invenzione.

DESCRIZIONE DELLA FORMA PREFERITA

Nella Fig. 2 è rappresenta una vista laterale parziale semplificata in sezione di una testina di stampa termica a getto di inchiostro integrata realizzata con la tecnica nota CMOS/LDMOS secondo una forma preferita di realizzazione del dispositivo secondo l’invenzione; con metodologie note nella tecnica, su di un substrato 10 di Silicio monocristaliino viene prodotta una ossidazione locale (Locos) per generare un primo strato isolante di Si02 11; successivamente viene prodotto uno strato di passivazione creando un film di vetro siliceo al boro/fosfato BPSG 12, sul qualé è depositato un film resistivo di Ta/AI 13 parzialmente mascherato da un film conduttivo di Al/Cu 14. La zona 15 del film resistivo di Ta/AI di ampiezza W non mascherata costituisce un resistore di emissione, mentre dal film conduttivo di Al/Cu 14 vengono ricavati i conduttori di collegamento. Il resistore di emissione 15 è protetto, rispetto ad eventuali corrosioni ed ossidazioni da parte dell'inchiostro, da un primo strato protettivo di NSi 16 e da un secondo strato protettivo di CSi 17, mentre uno strato 18 di polimero delimita lateralmente una cella o camera di emissione 21 contenente inchiostro ed in comunicazione con un serbatoio principale di inchiostro non mostrato in figura. Superiormente, la camera si emissione 21 è delimitata da una piastrina porta-ugelli (non mostrata in figura) in cui sono ricavati gli ugelli attraverso i quali vengono espulse le gocce di inchiostro; una testina di stampa possiede una molteplicità (anche alcune centinaia) di camere di emissione 21 e ugelli corrispondenti. Nella testina che comprende il dispositivo dell'invenzione è realizzato un sensore di temperatura RS1 41 in una di queste camere di emissione, che pertanto non è destinata a generare punti di stampa, in corrispondenza del resistore di emissione 15, che in questo caso assume la funzione di resistore “di prova” RT 43 (vedi figura 3); il sensore RSi 41, depositato su di uno strato di Ta 19, è composto da un film di Au 20, cui è data una forma ad esempio di una greca o di una spirale mediante la tecnica fotolitografica nota in sè.

il film di Au è normalmente utilizzato nelle testine integrate come secondo livello dì interconnessione, non richiedendo pertanto un passo aggiuntivo di processo, e rappresenta lo strato più superficiale; esso ha tipicamente uno spessore di 2000 4000 A, preferibilmente di 2500 ÷ 3000 A, con una resistività di ~ 130 mΩ/D ed un coefficiente di temperatura della resistenza TCR ≡ 4000 ppm/°C. La scelta di utilizzare il film di Au per realizzare il sensore di temperatura RSt è motivata dalle seguenti considerazioni:

mediante la tecnica della fotolitografia è possibile realizzare, a partire dal film di Au, una greca o una spirale di larghezza compresa tra 2 e 10 μm , preferibilmente < 5 μm, con ottima definizione,

pur avendo una resistività alquanto bassa, l’Au possiede un TCR piuttosto elevato e ben riproducibile, che non risente della struttura cristallografica del film (parametri di deposizione),

è chimicamente inerte e pertanto non si ossida nè si corrode in presenza di aria o di inchiostro anche alle temperature raggiunte dal resistore di emissione (~ 320°C).

Parallelamente al sensore di temperatura RSi, nella testina secondo l'invenzione viene realizzato un sensore di temperatura di riferimento RS2 42 (Fig. 3), identico sotto tutte le caratteristiche al sensore di temperatura RSi 41, ma posizionato sul substrato 10 non in corrispondenza di un resistore di emissione 15 ma posto ad una certa distanza, ad esempio alcune centinaia di μιη, dal sensore di temperatura RSi 41 ; esso, come si vedrà meglio in seguito, serve per compensare tutte le eventuali derive e tolleranze del processo produttivo delle testina integrata, che renderebbero il valore assoluto di RSÌ troppo variabile per poter essere efficacemente utilizzato per la misura della temperatura raggiunta dal resistore "di prova".

Tipicamente il resistore “di prova" RT 43 (così come i resistori di emissione 15) ha una dimensione di 50X50 μηη e ciò permette di realizzare sensori RSi 41 e RS242 aventi 3 6 Ω, preferibilmente 4,5 ÷ 5 Ω, di resistenza che consentono un AR ≡ 5,5 Ω per un ΔΤ = 300 °C, fornendo così un segnale di 10+11 mV con una corrente di polarizzazione di 2mA. Tale segnale sarebbe però troppo basso per poter essere utlizzato direttamente dal governo elettronico della stampante su cui è montata la testina di stampa; la tecnologia CMOS/LDMOS impiegata nella realizzazione della testina permette favorevolmente, senza aggiunta di passi di processo e di “maschere”, di realizzare tutti i componenti elettronici (ad esempio, transistori bipolari NPN con β= 30+40, resistori nella gamma di valori 10 Ω+ 100 kΩ, diodi di polarizzazione o di compensazione della temperatura in configurazione emettitore/base-collettore in corto circuito) necessari per costruire un amplificatore differenziale integrato sulla testina stessa, ben compensato elettricamente e termicamente perchè integrato sul medesimo substrato di Si 10, in modo da portare all'esterno della testina un segnale già amplificato.

In figura 3 è rappresentato, come esempio non limitativo, lo schema elettrico del dispositivo secondo l'invenzione, che comprende una parte circuitale 40 integrata sulla testina di stampa e composta da un amplificatore differenziale lineare controreazionato A 45 ai cui ingressi (+) 46 e (-) 47 sono rispettivamente collegati un primo partitore resistivo formato da un resistere R2 62 e dal sensore di temperatura RS1 41 , ed un secondo partitore resistivo formato da un resistere R3 63 e dal sensore di temperatura di riferimento RS2 42. Il resistere “di prova” RT 43 riceve selettivamente un impulso di corrente per mezzo del transistore T 44 che amplifica un corrispondente impulso ln su un ingresso 51 della testina di stampa rappresentato dalla curva 70 di figura 4; una uscita 48 dell'amplificatore A 45, il cui andamento è rappresentato dalla curva 0Λ 71 di figura 4, è collegata ad un terminale di uscita 52 della testina e, tramite un collegamento 53 realizzato ad esempio mediante un cavo piatto, è riportata ad un terminale di ingresso 54 del governo elettronico 60 della stampante e da qui ad un ingresso (+) 56 di un amplificatore operazionale C 55, il cui ingresso (-) 57 è collegato ad una tensione di riferimento VREF 59, e la cui uscita 58 è rappresentata da una curva 72 di figura 4.

Verrà ora descritto il funzionamento del dispositivo con riferimento alle figure 3 e 4. Mediante il transistore T 44, vengono forniti al resistore “di prova” RT43 una serie di impulsi di corrente 70 di durata via via crescente, ad esempio 30 impulsi successivi tali che il primo abbia una durata di 1,5 ps ed i successivi abbiano una durata progressivamente incrementata di 50 ns fino a 3 ps; la frequenza di ripetizione della serie di impulsi è determinata in base alla “memoria termica” della struttura, poiché occorre che tra un impulso ed il successivo il resistore “di prova” RT 43 si sia riportato alla temperatura del substrato 10: una possibile frequenza di ripetizione è ad esempio 1 kHz, che consente di esplorare tutto il campo di misura in 30 ms.

Ad ogni impulso di corrente 70, il sensore di temperatura RSi subisce una variazione di resistenza che si traduce in una variazione della tensione sull'ingresso 46 del l'amplificatore differenziale A 45; l’ingresso 47 rimane invece costante, poiché il resistore “di prova“ RT 43 ed il sensore di temperatura RSi sono posti ad una certa distanza, ad esempio alcune centinaia di pm, rispetto al partitore RS2/R3, perfettamente simmetrico rispetto al partitore RS1/R2 in quanto realizzato in forma integrata sulla stessa area del substrato di Si 10, e al l'amplificatore differenziale A 45, per non avere gradienti di temperatura nell’area amplificatore che potrebbero influenzarne il “matching” e offset” generando errori di misura.

Il segnale 71, dall'uscita dall'amplificatore differenziale lineare A 45, è inviato all’amplificatore operazionale C 55 che funge da comparatore rispetto ad una tensione di riferimento VREF 59 opportunamente determinata per fornire sulla uscita 58 un segnale 0* 72 quando il sensore di temperatura RS1 41 rileva una temperatura stabilita, ad esempio 320 °C (temperatura di enucleazione), in corrispondenza ad una ben determinata durata dell’impulso di corrente di riscaldamento del resistore “di prova” RT; il governo elettronico della stampante acquisisce il segnale 72 e, tenendo eventualmente conto di determinati fattori correttivi specifici del sistema di rilevazione implementato, determina conseguentemente la durata corretta dell’impulso da inviare ai resistori di emissione della testina di stampa per fornire un valore ottimale di energia di lavoro Ei, compensando così le variazioni sia dei parametri di processo relativi alla testina, che delle caratteristiche di macchina relative alla stampante.

Verrà ora illustrata una seconda forma di realizzazione del metodo per per controllare l’energia fornita ad un resistore di emissione di una testina di stampa termica a getto di inchiostro, basato sul medesimo dispositivo precedentemente descritto.

E’ noto che l'andamento della temperatura superficiale dei resistori di emissione, all'interfaccia con l’inchiostro, subisce una brusca variazione di pendenza nel momento di formazione della bolla, poiché la dissipazione del calore non avviene più in un ambiente liquido ma in uno gassoso, riducendosi di un fattore - 1 ,6 volte; questo fenomeno può essere sfruttato con il medesimo dispositivo illustrato in figura 3, introducendo l’unica variante di utilizzare una tensione di riferimento VREF 59 non più fissa, ma variabile nel senso che aumenta progressivamente a gradini in corrispondenza dell’aumento della durata degli impulsi di corrente 70 fomiti al resistore “di prova” RT 43, secondo una legge che dipende dalla maggiore o minore linearità del sistema di rilevazione della temperatura. In questo modo le variazioni di ampiezza dell'uscita 48 del’amplificatore differenziale A 45 in conseguenza dell’aumento della durata degli impulsi di corrente 70 risultano compensate fino a quando lo scambio termico tra resistere “di prova” RT 43 e l’inchiostro contenuto nella camera di emissione 21 segue l'andamento dello scambio con un liquido, e, di conseguenza, il comparatore C 55 continua a fornire una uscita nulla.

Quando, invece, la durata dell’impulso di corrente 70 è tale da fornire una energia di lavoro Ei sufficiente a raggiungere la temperatura di enucleazione della bolla, la modifica delle caratteristiche di scambio termico del resistere di emissione da ambiente liquido ad ambiente gassoso ed il conseguente aumento dell’ampiezza dell’uscita 48 del’ampIrficatore differenziale 45 non è più compensato dal corrispondente aumento della tensione di riferimento VREF 59, e di conseguenza il comparatore C 55 produce sull'uscita 58 un segnale 72 rivelatore del raggiungimento della temperatura di enucleazione della bolla; il governo elettronico della stampante, tenendo eventualmente conto di determinati fattori correttivi specifici del sistema di rilevazione implementato, determina la durata dell'impulso da inviare ai resistori di emissione della testina di stampa per fornire un valore ottimale di energia di lavoro E, . compensando così le variazioni sia dei parametri di processo relativi alla testina, che delle caratteristiche di macchina relative alla stampante.

Questa seconda forma di realizzazione del metodo per controllare l’energia fornita ad un resistore di emissione di una testina di stampa termica a getto di inchiostro, risulta ancora più precisa e diretta della prima; essa, però a differenza della precedente, necessita della presenza di inchiostro nella camera di emissione 21 entro cui si trova il resistore “di prova" RT 43, per cui quest’ultimo ed il relativo sensore di temperatura RS1 41 devono essere posti nelle vicinanze dell'asola di alimentazione dell'inchiostro.

Naturalmente è possibile apportare modifiche all'invenzione sopra descritta, senza per ciò uscire dal’ambito della medesima.

Ad esempio, è possibile utilizzare un resistore “di prova” RT 43 avente dimensioni differenti rispetto ai resistor! di emissione; in questo caso, occorrerà naturalmente tenere conto di un fattore correttivo di forma o di area K1 per correlare il valore dell’energia necessaria per portare il resistore “di prova" RT 43 alla temperatura di enucleazione della bolla con quello dell'energia necessaria per portare i resistor! di emissione 15 alla medesima temperatura, tenendo anche conto del rapporto tra l’area del sensore di temperatura RSi 41 e l’area del resistere “di prova" RT 43 in quanto la termperatura superficiale del sensore di temperatura RS1 41 non è omogenea, ma presenta delle variazioni tra il centro e la periferia

Oppure è possibile, solo nel caso in cui si adotti la prima forma di realizzazione del dispositivo per controllare l'energia fornita ad un resistere di emissione di una testina di stampa termica a getto di inchiostro, utilizzare una camera di emissione 21 intorno al resistore “di prova” RT 43 priva di inchiostro, nel qual caso occorre tenere conto di un fattore di correzione ambientale K2 poiché, a parità di energia fornita al resistore “di prova” RT 43, la temperatura superficiale misurata dal sensore di temperatura RS1 41 sarà di circa 1,6 volte superiore alla corrispondente temperatura raggiunta da un resistore di emissione a contatto con l’inchiostro.

Inoltre è possibile variare l’energia fornita ai resistor! di emissione, anziché agendo sulla durata degli impulsi di corrente, agendo sul valore della tensione V+ 50 (Fig. 3) cui sono riferiti in comune tutti i resistori, lasciando inalterata la durata degli impulsi; in questo caso, naturalmente, occorrerà sdoppiare la tensione cui sono riferiti in comune tutti i resistori rispetto alla tensione di alimentazione dei circuiti elettronici integrati sulla testina che dovrà rimanere costante.

In breve, fermo restando il principio della presente invenzione, i particolari realizzativi e le forme di attuazione potranno essere ampiamente variati rispetto a quanto descritto ed illustrato, senza per questo uscire dall’ambito dell’invenzione stessa.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Dispositivo per controllare l’energia fornita ad un resistore di emissione integrato su di una testina di stampa termica a getto di inchiostro montata su di una stampante, detto resistore di emissione essendo in grado di generare una bolla di vapore al raggiungimento di una temperatura di enucleazione, e detta stampante comprendendo mezzi per fornire selettivamente una quantità di detta energia a detto resistere di emissione, caratterizzato dal fatto che comprende: mezzi integrati su detta testina per rilevare detta temperatura di enucleazione, e mezzi per effettuare una regolazione di detta quantità di detta energia fornita a detto resistere di emissione, detta regolazione essendo condizionata da detti mezzi per rilevare detta temperatura di enucleazione, in modo che detto resistore di emissione raggiunga detta temperatura di enucleazione quando gli venga fornita detta quantità di energia.
2. Dispositivo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detti mezzi per rilevare detta temperatura di enucleazione comprendono un primo resistore ricavate da uno strato di materiale elettricamente conduttivo in corrispondenza di un resistore di prova integrato su detta testina costruttivamente identico a detto resistere di emissione.
3. Dispositivo secondo la rivendicazione 2, caratterizzate dal fatto che detto materiale elettricamente conduttivo è Oro depositato su di uno strato di Tantalio.
4. Dispositivo secondo la rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto che detto strato di Oro ha uno spessore compreso tra 2000 e 4000 A.
5. Dispositivo secondo la rivendicazione 3 caratterizzato dal fatto che detto primo resistore ricavato da detto strato di Oro ha una forma a greca o a spirale avente una larghezza compresa tra 2 e 10 μητι.
6. Dispositivo secondo la rivendicazione 5, caratterizzato dal fatto che detto primo resistore ha una resistenza compresa tra 3 e 6 Ohm.
7. Dispositivo secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che detti mezzi per rilevare detta temperatura di enucleazione comprendono un secondo resistore identico a detto primo resistere, ricavato da detto strato di materiale elettricamente conduttivo ad una determinata distanza da detto primo resistore.
8. Dispositivo secondo la rivendicazione 7, caratterizzato dal fatto che detti mezzi per fornire detta quantità di detta energia a detto resistore di emissione comprendono: mezzi per fornire detta energia sotto forma di impulsi di corrente di intensità costante e di durata variabile; mezzi per effettuare una regolazione di detta durata variabile da una durata minima ad una durata massima, detta regolazione essendo condizionata da detti mezzi per rilevare detta temperatura di enucleazione.
9. Dispositivo secondo la rivendicazione 8, caratterizzato dal fatto che detta durata minima è pari a 1 ,5 ps e detta durata massima è pari a 3 ps.
10. Dispositivo secondo la rivendicazione 8, caratterizzato dal fatto che detti mezzi per effettuare detta regolazione di detta durata comprendono un amplificatore differenziale avente un primo ingresso collegato a detto primo resistore, ed un secondo ingresso collegato a detto secondo resistore.
11. Dispositivo secondo la rivendicazione 10, caratterizzato dal fatto che detti mezzi per effettuare detta regolazione di detta durata comprendono inoltre un comparatore avente un primo ingresso collegato ad una uscita di detto amplificatore differenziale, ed un secondo ingresso collegato ad una tensione di riferimento.
12. Dispositivo secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che detto resistore di prova è disposto entro una camera di emissione contenente inchiostro.
13. Dispositivo secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che detto resistore di prova è disposto entro una camera di emissione contenente aria.
14. Dispositivo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detti mezzi per fornire selettivamente detta quantità di detta energia a detto resistore di emissione comprendono: mezzi per fornire detta energia sotto forma di impulsi di corrente di durata costante e di intensità variabile; mezzi per per effettuare una regolazione di detta intensità variabile da una intensità minima ad una intensità massima, detta regolazione essendo condizionata da detti mezzi per rilevare detta temperatura di enucleazione.
15. Metodo per controllare l’energia fornita ad un resistere di emissione integrato su di una testina di stampa termica a getto di inchiostro montata su di una stampante, detto resistere di emissione essendo in grado di generare una bolla di vapore al raggiungimento di una temperatura di enucleazione, e , detta stampante comprendendo mezzi per fornire selettivamente una quantità di detta energia a detto resistere di emissione, caratterizzato dal fatto che comprende i seguenti passi: disporre di mezzi integrati su detta testina per rilevare detta temperatura di enucleazione; regolare detta quantità di detta energia fornita a detto resistere di emissione in base a detti mezzi per rilevare detta temperatura di enucleazione, in modo che detto resistere di emissione raggiunga detta temperatura di enucleazione quando gli venga fornita detta quantità di energia.
16. Metodo secondo la rivendicazione 15, caratterizzato dal fatto che detti mezzi per rilevare detta temperatura di enucleazione comprendono un primo resistere ricavato da uno strato di materiale elettricamente conduttivo in corrispondenza di un resistere di prova integrato su detta testina costruttivamente identico a detto detto resistere di emissione.
17. Metodo per controllare l'energia fornita ad un resistere di emissione integrato su di una testina di stampa termica a getto di inchiostro montata su di una stampante, detto resistere di emissione essendo in grado di generare una bolla di vapore al raggiungimento di una temperatura di enucleazione, e detta stampante comprendendo mezzi per fornire selettivamente una quantità di detta energia a detto resistore di emissione, caratterizzato dal fatto che comprende i seguenti passi: disporre di mezzi integrati su detta testina per rilevare una variazione del coefficiente di aumento della resistenza con la temperatura al raggiungimento di detta temperatura di enucleazione; regolare detta quantità di detta energia fornita a detto resistore di emissione in base a detti mezzi per rilevare detta variazione del coefficiente di aumento della resistenza con la temperatura, in modo che detto resistore di emissione raggiunga detta temperatura di enucleazione quando gli venga fornita detta quantità di energia.
18. Metodo secondo la rivendicazione 17, caratterizzato dal fatto che detti mezzi per rilevare detta variazione del coefficiente di aumento della temperatura al raggiungimento di detta temperatura di enucleazione comprendono un primo resistore ricavato da uno strato di materiale elettricamente conduttivo in corrispondenza di un resistore di prova costruttivamente identico a detto detto resistore di emissione.
19. Metodo secondo la rivendicazione 16, caratterizzato dal fatto che detti mezzi per rilevare detta temperatura di enucleazione comprendono un secondo resistore identico a detto primo resistore, ricavato da detto strato di materiale elettricamente conduttivo ad una determinata distanza da detto primo resistore.
20. Metodo secondo la rivendicazione 18, caratterizzato dal fatto che detti mezzi per rilevare detta variazione del coefficiente di aumento della resistenza con la temperatura al raggiungimento di detta temperatura di enucleazione comprendono un secondo resistore identico a detto primo resistore, ricavato da detto strato di materiale elettricamente conduttivo ad una determinata distanza da detto primo resistore.
21. Metodo secondo le rivendicazioni 16 o 18, caratterizzato dal fatto che detto materiale elettricamente conduttivo è Oro depositato su di uno strato di Tantalio.
22. Metodo secondo la rivendicazione 21 , caratterizzato dal fatto che detto strato di Oro ha uno spessore compreso tra 2000 e 4000 A.
23. Metodo secondo la rivendicazione 21 , caratterizzato dal fatto che detto primo resistore ricavato da detto strato di Oro ha una forma a greca o a spirale avente una larghezza compresa tra 2 e 10 μm .
24. Metodo secondo la rivendicazione 23, caratterizzato dal fatto che detto primo resistore ha una resistenza compresa tra 3 e 6 Ohm.
25. Metodo secondo le rivendicazioni 19 o 20, caratterizzato dal fatto che detti mezzi per fornire detta quantità di detta energia a detto resistore di emissione comprendono: mezzi per fornire detta energia sotto forma di impulsi di corrente di intensità costante e di durata variabile; mezzi per effettuare una regolazione di detta durata variabile da una durata minima ad una durata massima, detta regolazione essendo condizionata da detti mezzi per rilevare detta temperatura di enucleazione.
26. Metodo secondo le rivendicazioni 19 o 20, caratterizzato dal fatto che detti mezzi per fornire una quantità variabile di detta energia a detto resistere di emissione comprendono: mezzi per fornire detta energia sotto forma di impulsi di corrente di durata costante e di intensità variabile; mezzi per effettuare una regolazione di detta intensità variabile da una intensità minima ad una intensità massima, detta regolazione essendo condizionata da detti mezzi per rilevare detta temperatura di enucleazione.
27. Metodo secondo la rivendicazione 25, caratterizzato dal fatto che detta durata minima è pari a 1 ,5 μs e detta durata massima è pari a 3 μs·
28. Metodo secondo la rivendicazione 25, caratterizzato dal fatto che detti mezzi per effettuare detta regolazione di detta durata comprendono un amplificatore differenziale avente un primo ingresso collegato a detto primo resistere, ed un secondo ingresso collegato a detto secondo resistore.
29. Metodo secondo la rivendicazione 28, caratterizzato dal fatto che detti mezzi per regolare detta durata comprendono inoltre un comparatore avente un primo ingresso collegato ad una uscita di detto amplificatore differenziale, ed un secondo ingresso collegato ad una tensione di riferimento costante.
30. Metodo secondo la rivendicazione 28, caratterizzato dal fatto che detti mezzi per regolare detta durata comprendono inoltre un comparatore avente un primo ingresso collegato ad una uscita di detto amplificatore differenziale, ed un secondo ingresso collegato ad una tensione di riferimento variabile in maniera proporzionale a detta durata variabile.
31. Testina di stampa termica a getto di inchiostro comprendente mezzi per fornire selettivamente una quantità di energia a un resistore di emissione in grado di generare una bolla di vapore al raggiungimento di una temperatura di enucleazione, caratterizzata dal fatto che comprende inoltre mezzi integrati per rilevare detta temperatura di enucleazione comprendenti un primo resistore ricavato da uno strato di materiale elettricamente conduttivo in corrispondenza di un resistore di prova integrato costruttivamente identico a detto resistore di emissione.
32. Testina secondo la rivendicazione 31 , caratterizzata dal fatto che detto materiale elettricamente conduttivo è Oro depositato su di uno strato di Tantalio.
33. Testina secondo la rivendicazione 32, caratterizzata dal fatto che detto strato di Oro ha uno spessore compreso tra 2000 e 4000 A.
34. Testina secondo la rivendicazione 32, caratterizzata dal fatto che detto primo resistore ricavato da detto strato di Oro ha una forma a greca o a spirale avente una larghezza compresa tra 2 e 10 μm.
35. Testina secondo la rivendicazione 34, caratterizzata dal fatto che detto primo resistore ha una resistenza compresa tra 3 e 6 Ohm.
36. Testina secondo la rivendicazione 31 , caratterizzata dal fatto che detti mezzi per rilevare detta temperatura comprendono un secondo resistore identico a detto primo resistore, ricavato da detto strato di materiale elettricamente conduttivo ad una determinata distanza da detto primo resistore.
37. Testina secondo la rivendicazione 36, caratterizzata dal fatto che detti mezzi per fornire selettivamente detta quantità di energia comprendono un amplificatore differenziale avente un primo ingresso collegato a detto primo resistore, ed un secondo ingresso collegato a detto secondo resistore.
38. Stampante a getto di inchiostro comprendente una testina di stampa termica comprendente mezzi per fornire selettivamente una quantità di energia a un resistore di emissione integrato su detta testina in grado di generare una bolla di vapore al raggiungimento di una temperatura di enucleazione, caratterizzata dal fatto che detta testina di stampa comprende inoltre mezzi integrati per rilevare detta temperatura di enucleazione comprendenti un primo resistore ricavato da uno strato di materiale elettricamente conduttivo in corrispondenza di un resistore di prova integrato costruttivamente identico a detto detto resistore di emissione.
39. Stampante a getto di inchiostro secondo la rivendicazione 38, caratterizzata dal fatto che detto materiale elettricamente conduttivo è Oro depositato su di uno strato di Tantalio.
40. Stampante a getto di inchiostro secondo la rivendicazione 39, caratterizzata dal fatto che detto strato di Oro ha uno spessore compreso tra 2000 e 4000 A.
41. Stampante a getto di inchiostro secondo la rivendicazione 39, caratterizzata dal fatto che detto primo resistore ricavato da detto strato di Oro ha una forma a greca o a spirale avente una larghezza compresa tra 2 e 10 μm .
42. Stampante a getto di inchiostro secondo la rivendicazione 41 , caratterizzata dal fatto che detto primo resistore ha una resistenza compresa tra 3 e 6 Ohm.
43. Stampante a getto di inchiostro secondo la rivendicazione 38, caratterizzata dal fatto che detti mezzi per rilevare detta temperatura comprendono un secondo resistore identico a detto primo resistore, ricavato da detto strato di materiale elettricamente conduttivo ad una determinata distanza da detto primo resistore.
44. Stampante a getto di inchiostro secondo la rivendicazione 43, caratterizzata dal fatto che detti mezzi per fornire selettivamente detta quantità di energia comprendono un amplificatore differenziale avente un primo ingresso collegato a detto primo resistore, ed un secondo ingresso collegato a detto secondo resistore.
45. Stampante a getto di inchiostro secondo la rivendicazione 44, caratterizzata dal fatto che detti mezzi per fornire selettivamente detta quantità di energia comprendono inoltre un comparatore avente un primo ingresso collegato ad una uscita di detto amplificatore differenziale, ed un secondo ingresso collegato ad una tensione di riferimento.